EP2683999A1 - Verfahren zum betrieb eines wechselstrom-elektrolichtbogenofens, vorrichtung zur durchführung des verfahrens sowie ein wechselstrom-elektrolichtbogenofen mit einer solchen vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines wechselstrom-elektrolichtbogenofens, vorrichtung zur durchführung des verfahrens sowie ein wechselstrom-elektrolichtbogenofen mit einer solchen vorrichtung

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EP2683999A1
EP2683999A1 EP12713904.6A EP12713904A EP2683999A1 EP 2683999 A1 EP2683999 A1 EP 2683999A1 EP 12713904 A EP12713904 A EP 12713904A EP 2683999 A1 EP2683999 A1 EP 2683999A1
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EP
European Patent Office
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slag
electrode
furnace
electric arc
arc furnace
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12713904.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Matschullat
Detlef Rieger
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Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2683999A1 publication Critical patent/EP2683999A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F27B3/10—Details, accessories or equipment, e.g. dust-collectors, specially adapted for hearth-type furnaces
    • F27B3/28—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or the like devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an alternating current electric arc furnace, comprising at least one electrode for producing a melt in a furnace vessel, where vibrations are measured ⁇ on a wall of the furnace vessel, through which a slag height of the melt is determined.
  • the invention further relates to a device for carrying out this method and an AC electric arc furnace with such a device.
  • WO 2010/088972 for controlling a carbon monoxide emission of an electric arc furnace determine the height of the foamed slag, wherein the coal ⁇ entry and / or the oxygen supply are controlled so that the height of the foamed slag is kept below a maximum value ⁇ .
  • the object of the invention is to enable a rapid reaction to the change in slag height in the AC electric arc furnace.
  • the object is achieved by a method for operating an AC electric arc furnace, comprising at least one electrode for producing a melt in a furnace vessel, wherein vibrations are measured on a wall of the Ofenge ⁇ vessel, through which a slag height of the melt is determined and wherein given by a set value control and / or control signals in case of deviations of a he ⁇ mediated actual value of the slag height, through which an arc length which is adapted at least one electrode.
  • At least one structure-borne sound sensor for detecting vibrations on a wall of a furnace vessel of an AC electric arc furnace, wherein the AC electric arc furnace has at least one electrode for producing a melt in the furnace vessel,
  • the target value is not an absolute value, but an allowable range, which is characterized by a permissible maximum value and a permissible minimum value. Upon exceeding or falling below the target range of the allowable maximum value over ⁇ reached or the permissible minimum value is thus maintained.
  • the coal feed is increased or reduced for a specific time, as can be deduced from WO 2010/088972. Due to the delay in delivery elapses until the reaction to this measure egg ⁇ niger time, in the order of about 20 seconds lies. In comparison, the electrode control takes place to adapt the arc length with a significantly shorter reaction time of about one second. Thanks to the control of the Lichtbo ⁇ gene length lower radiation losses are present, which have a minimized radiation to the furnace walls result.
  • Exceeding the target value is treated equally in all development periods of the slag in particular. If the actual value exceeds the nominal value, preference ⁇ , the arc length of höht at least one ER electrode.
  • the alternating current electric arc furnace expediently has three electrodes and one structure-borne sound sensor is provided for each electrode.
  • Each electrode is assigned to a zone of the furnace vessel and the height of the slag is determined for each zone.
  • the control or regulation of each of the three electrodes takes place in particular independently of the other two electrodes.
  • the foam slag height is measured separately in all three zones of the furnace vessel and the arc length of each of the three electrodes is adjusted individually to the spatial slag height distribution in the furnace vessel on the basis of the measurement data of the corresponding zone.
  • structure-borne noise sensors 4a, 4b, 4c for measuring vibrations are arranged on a wall 2a of the furnace vessel 2, ie at the outer boundary of the furnace vessel 2, structure-borne noise sensors 4a, 4b, 4c for measuring vibrations are arranged.
  • the structure-borne sound ⁇ sensors 4a, 4b, 4c may be connected to the furnace vessel 2 indirectly and / or directly.
  • the acoustic emission sensors 4a, 4b, 4c are in particular to the electrodes 3a, 3b, 3c arranged gegenü ⁇ bercharacter sides of the wall 2a.
  • the structure-borne sound sensors 4a, 4b, 4c are in this case preferably designed as Accelerati ⁇ supply sensors and positioned above the foaming slag in the furnace vessel.
  • sensor and control devices 13a, 13b, 13c are provided on the power supply lines of the electrodes 3a, 3b, 3c, with the aid of which current and / or voltage or the energy supplied to the electrodes 3a, 3b, 3c is measured and can be regulated.
  • the sensor and control devices 13a, 13b, 13c are formed with a control unit 8, for example via a cable
  • Signal lines 14a, 14b, 14c coupled. More Signallei ⁇ obligations 14d, 14e, 14f serve to connect the sensor and control devices 13a, 13b, 13c with a control or regulating device 9, which receives the control requirements of the computing unit. 8
  • the control and / or regulating device 9 is further referred to simply as a control device 9.
  • the integrated crizein ⁇ 8 may be an integral part of the control and / or regulating device. 9
  • the structure-borne noise sensors 4a, 4b, 4c, the sensor and control devices 13a, 13b, 13c, the arithmetic unit 8 and the control device 9 are part of a device 10, which is indicated in FIG 1 by dashed lines.
  • the control device 9 regulates the specification of the computing unit 8 both the supply of carbon and oxygen and the arc lengths of the electrodes 3a, 3b, 3c on the impedance of the electrodes 3a, 3b, 3c. Decisive for this scheme is a temporal differentiation between the different development periods of the foamed slag, so that the arc is regulated differently depending on the different stages of slag formation.
  • the control device 9 preferably comprises a fuzzy controller 11.
  • Slag height averaged over time remains essentially con ⁇ stant. From about 3150 seconds after the start of the melting process in the AC electric arc furnace 1 begins a final period of slag formation, in which the fluctuations of the slag height H re i. are particularly strong and the average te relative slag height is slightly lower than in the slag period.
  • the initial period I can be a strong foaming occurring defects ⁇ th, but the foaming may in some areas that are not heated enough, be greatly delayed.
  • four cases can be distinguished:
  • the control of the arc length depends on whether the larger scrap chunks in the vicinity of the electrodes or the wall of the AC electric arc furnace befin ⁇ the. When you are below the electrode, the arc is shortened; if you are closer to the wall, the arc lengthens.
  • the target value setting S un ⁇ is undershot, then the arc lengths of the respective electrode 3a, 3b, 3c, which is ordered to-this zone is reduced.
  • the radiation power is correspondingly corrected ⁇ down to conserve the wall 2a in operation.
  • the fuzzy-based control system outputs the correction factors for the individual arc lengths, which are processed and adjusted in an electrode control.
  • the wesentli ⁇ che advantage of controlling the arc length is the short reaction time of about one second. Thus it can be alternates to the ruling in the furnace vessel 2 conditions rea ⁇ particularly fast.
  • the adaptation of the arc length is in particular ⁇ special in combination with a regulation of Kohlenstoff,. Operated oxygen supply and serves to optimize the power input and thus to lower radiation losses to the wall of the AC electric arc furnace.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Wechselstrom-Elektrolichtbogenofens, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen mit einer solchen Vorrichtung Im Betrieb eines Wechselstrom-Elektrolichtbogenofens (1) umfassend zumindest eine Elektrode (3a, 3b, 3c) zum Erzeugen einer Schmelze, werden Schwingungen an einer Wand (2a) eines Ofengefäßes (2) gemessen, wodurch eine Schlackenhöhe (Hrel) der Schmelze ermittelt wird. Eine schnelle Reaktion auf die Änderung der Schlackenhöhe wird ermöglicht, indem bei Abweichungen eines ermittelten Ist-Werts (A, B, C) der Schlackenhöhe (Hrel) von einem Soll-Wert (S) die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) angepasst wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Wechselstrom-Elektrolicht- bogenofens, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen mit einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wech- selstrom-Elektrolichtbogenofens , umfassend zumindest eine Elektrode zum Erzeugen einer Schmelze in einem Ofengefäß, wo¬ bei Schwingungen an einer Wand des Ofengefäßes gemessen werden, durch welche eine Schlackenhöhe der Schmelze ermittelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie einen Wechselstrom- Elektrolichtbogenofen mit einer derartigen Vorrichtung.
Bei der Erzeugung von Stahl in einem Elektrolichtbogenofen, insbesondere in einem Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen, wird eine Schaumschlacke oder Schlacke gebildet und durch Einblasen eines Mediengemisches, z.B. eines Gemisches aus Einblaskohle und Sauerstoff, zum Aufschäumen gebracht, um das Energieeinbringen mittels eines von den Elektroden des Elektrolichtbogenofens erzeugten Lichtbogens zu verbessern bzw. die Verluste durch Abstrahlung zu verringern. Der Zustand der Schaumschlacke der Schmelze ist ein Maß für die Effektivität des Energieeinbringens. Ziel ist es daher, einen möglichst an die Prozessbedürfnisse angepassten Pegel der Schaumschlacke im Ofeninneren zu erreichen.
Aus der WO 2007/009924 ist es bekannt, die Energiezufuhr in einen Elektrolichtbogenofen unter Zuhilfenahme von elektrischen Sensoren zu ermitteln und Schwingungen am Elektrolicht- bogenofen zu messen. Durch Auswertung der Messdaten der elektrischen Sensoren und durch Auswertung der gemessenen Schwingungen wird die Höhe der Schaumschlacke bestimmt.
Aus der WO 2010/088972, ist weiterhin bekannt, zur Regelung eines Kohlenmonoxid-Ausstoßes eines Elektrolichtbogenofens die Höhe der Schaumschlacke zu bestimmen, wobei der Kohlen¬ stoffeintrag und/oder die Sauerstoffzufuhr derart geregelt werden, dass die Höhe der Schaumschlacke unterhalb eines Ma¬ ximalwertes gehalten wird.
Die Regelung des Kohlenstoffeintrags hat jedoch den Nachteil, dass falls kein konstanter und gleichförmiger Schlackenhöhen- stand für alle Bereiche des Elektrolichtbogenofens in kurzer Zeit erreicht wird, bedingt durch Verzug in der Kohlenförde- rung, zu viel Strahlungsleistung an die Wände abgegeben wird. An den Ofenwänden werden dabei Hot Spots erzeugt, die Energieverluste nach sich ziehen und den Verschleiß erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle Reak- tion auf die Änderung der Schlackenhöhe im Wechselstrom- Elektrolichtbogenofen zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselstrom-Elektrolichtbogenofens , umfas- send zumindest eine Elektrode zum Erzeugen einer Schmelze in einem Ofengefäß, wobei Schwingungen an einer Wand des Ofenge¬ fäßes gemessen werden, durch welche eine Schlackenhöhe der Schmelze ermittelt wird und wobei bei Abweichungen eines er¬ mittelten Ist-Werts der Schlackenhöhe von einem Soll-Wert Steuer- und/oder Regelsignale gegeben werden, durch welche eine Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode angepasst wird .
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, umfassend
- mindestens ein Körperschallsensor zum Erfassen von Schwingungen an einer Wand eines Ofengefäßes eines Wechselstrom- Elektrolichtbogenofens , wobei der Wechselstrom-Elektro- lichtbogenofen zumindest eine Elektrode zum Erzeugen einer Schmelze im Ofengefäß aufweist,
- eine Recheneinheit zum Berechnen des Ist-Werts der Schla¬ ckenhöhe im Ofengefäß, - sowie eine Steuer- oder Regelemheit zur Anpassung der Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode bei Abwei¬ chungen des Ist-Werts der Schlackenhöhe vom Soll-Wert.
Die Aufgabe wird zudem erfindungsgemäß gelöst durch einen
Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen mit einer solchen Vorrich tung .
Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf die Vorrichtung und den Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen zu übertragen .
Mit Soll-Wert wird hierbei insbesondere kein absoluter Wert, sondern ein zulässiger Bereich bezeichnet, der durch einen zulässigen Maximalwert und zulässigen Minimalwert gekennzeichnet ist. Beim Überschreiten bzw. Unterschreiten des Soll-Bereichs wird somit der zulässige Maximalwert über¬ schritten bzw. der zulässige Minimalwert unterschritten.
Die Erfindung basiert auf der Idee, als Reaktion auf eine Veränderung der Höhe der Schlacke im Ofengefäß die Länge der im Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen erzeugten Lichtbögen z beeinflussen. Dies erfolgt durch eine entsprechende Regelung der mindestens einen Elektrode des Wechselstrom-Elektrolicht bogenofens, insbesondere über Regelung der Impedanz der Elektrode. Dabei gilt, dass eine Erhöhnung der Impedanz zu einer Verlängerung der Lichtbogenlänge und somit zu einer Er höhung der Strahlungsleistung führt. Eine geringere Impedanz führt wiederum zur Reduzierung der Lichtbogenlänge und somit der Strahlungsleistung, jedoch wird dabei die thermische Kon vektion des Lichtbogens erhöht.
Üblicherweise wird bei Abweichungen der gemessenen Höhe der Schaumschlacke vom vorgegebenen Soll-Wert die Kohlenzufuhr für eine bestimmte Zeit erhöht bzw. zurückgefahren, wie dies aus der WO 2010/088972 zu entnehmen ist. Bedingt durch den Förderverzug vergeht bis zur Reaktion auf diese Maßnahme ei¬ nige Zeit, die in der Größenordnung von ca. 20 Sekunden liegt. Im Vergleich dazu erfolgt die Elektrodenregelung zur Anpassung der Lichtbogenlänge mit deutlich kürzerer Reaktionszeit von ca. einer Sekunde. Dank der Regelung der Lichtbo¬ genlänge liegen geringere Strahlungsverluste vor, die eine minimierte Abstrahlung an die Ofenwände zur Folge haben.
Durch die gezielte, bedarfsorientierte Leistungsoptimierung der Elektroden wird zudem eine gleichmäßige und schnelle Anschmelzung der Feststoff- bzw. Schrottbefüllung des Wech- selstrom-Elektrolichtbogenofens erreicht. Ein weiterer Vor- teil der optimierten Regelung der Lichtbogenlänge ist die Re¬ duzierung des Einblaskohlenstoffes, wodurch weniger CO2 Aus¬ stoß durch geringeren Energie- und Kohlenstoffverbrauch erreicht wird. Das Verfahren zeichnet sich somit durch höhere Produktivität, geringere Energieverluste, geringere Betriebs- zeit und durch Reduktion des Wandverschleißes aus.
Die Messung der Höhe der Schlacke basiert auf den in der
WO 2007/009924 und der WO 2010/088972 beschriebenen Methoden.
Die Recheneinheit, die die Schlackenhöhe im Ofengefäß auf Grundlage der Messsignale des mindestens einen Körperschall¬ sensors ermittelt, ist insbesondere Teil der Steuer- und/oder Regeleinheit, die der Einfachheit halber weiter als Regelein¬ heit bezeichnet wird. Nach der Berechnung des Ist-Werts der Schlackenhöhe wird dieser mit dem Soll-Wert oder Soll-Bereich verglichen. Bei Abweichungen generiert die Regeleinheit die Steuer- und/oder Regelsignale zur Anpassung der Lichtbogenlänge .
Um eine hochdynamische und zielgerichtete Steuerung bzw. Re- gelung Lichtbogenlänge zu gewährleisten, ist der Einschmelzvorgang in mindestens zwei, insbesondere in drei Perioden der Entwicklung der Schlacke unterteilt und die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode wird in Abhängigkeit der Ent¬ wicklungsperiode reguliert. Hierbei ist insbesondere zwischen den folgenden drei Entwicklungsperioden zu unterscheiden: eine Schlackenaufbau- oder Anfangsperiode, in der die Schlacke entsteht; eine Schlackenperiode, in der die Höhe der Schlacke ein Maximalniveau erreicht, und eine Endperiode, in der die Höhe der Schlacke wieder zurückgeht. Die Reaktion auf die Schlackenveränderung erfolgt somit unter Berücksichtigung der Zeit, die seit Beginn des Einschmelzvorgangs im Wechselstrom- Elektrolichtbogenofen vergangen ist, da diese Zeit für die Entwicklung der Schlacke entscheidend ist.
Wenn in der Anfangsperiode ein sehr geringer Schlackenzustand gemessen wird, lässt dies auf eine nicht vollständige Ein- schmelzung des Schrotts schließen. In diesem Fall ist die op- timale Regelung der Lichtbogenlänge davon abhängig, in welchem Bereich des Ofengefäßes sich Schrott mit dem größeren Stückigkeitsmaß befindet. Unter Maß für die Stückigkeit eines Feststoffs wird jede konkrete Größe verstanden, welche geeig¬ net ist, Unterschiede in der Stückigkeit von unterschiedlich stückigem Feststoff aufzuzeigen. Unter Stückigkeit des Fest¬ stoffs kann jede physikalische Größe des Feststoffs verstan¬ den werden, welche das Brennverhalten des Lichtbogens auf dem Feststoff beeinflusst. Insbesondere kann darunter die Größe eines zusammenhängenden Feststoffsteils und/oder dessen Kom- paktheit verstanden werden, wobei Kompaktheit im Sinne eines Maßes für eine vorliegende Feststoffdichteverteilung zu verstehen ist. Ein Verfahren zu Bestimmung des Stückigkeitsmaßes für Feststoff in einem Lichtbogenofen ist in der
WO 2009/095293 A2 beschrieben.
Wenn in einer Anfangsperiode unter der zumindest einen Elekt¬ rode sich Festsoff mit einem großen Stückigkeitsmaß befin¬ det, wird vorzugsweise beim Unterschreiten des Soll-Werts die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode verringert, wo- durch eine gesteigerte Konvektionsenergie in der Nähe bzw. unterhalb der Elektrode erzielt wird.
Wenn jedoch Feststoff mit einem großen Stückigkeitsmaß sich weiter weg von der Elektrode in der Nähe der Wand befindet, dann wird vorteilhafterweise beim Unterschreiten des Soll- Werts die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode er¬ höht. Dadurch erhöht sich die Strahlungsleistung und das begünstigt das Aufschmelzen des Schrotts in der Nähe der Wand. Falls eine Erhöhung der Strahlungsleistung und somit der Ab- strahlung an die Ofenwand nicht in Kauf genommen werden soll, wird nach einer alternativen bevorzugten Ausführung beim Un- terschreiten des Soll-Werts in der Anfangsperiode die Licht¬ bogenlänge der zumindest einen Elektrode unverändert gehalten und die Betriebszeit der Energiezufuhr wird verlängert.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird sowohl in der Schla- ckenperiode als auch in der Endperiode der Schlackenentwicklung beim Unterschreiten des Soll-Werts die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode verringert. Um Verschleiß an den Ofenwänden zu vermeiden, wird hierbei die an die Ofenwand abgegebene Strahlungsleistung reduziert.
Die Überschreitung des Soll-Werts wird insbesondere in allen Entwicklungsperioden der Schlacke gleichermaßen behandelt. Wenn der Ist-Wert den Soll-Wert überschreitet, wird vorzugs¬ weise die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode er- höht.
Die Anpassung der Lichtbogenlänge erfolgt insbesondere ergän¬ zend zu einer Regulierung der Kohlenstoff- bzw. SauerstoffInjektion als Reaktion auf die Veränderung der Schlackenhöhe. Vor diesem Hintergrund wird vorteilhafterweise die Kohlen¬ stoff-Zufuhr in den Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen bei Abweichungen der Schlackenhöhe vom Soll-Wert ebenfalls regu¬ liert. Wenn beispielsweise die Schlackenhöhe über dem Soll- Wert bzw. Sollbereich liegt, wird die Kohlenin ektion zurück- gefahren. Da die Reaktionszeit auf diesen Vorgang mehrere Se¬ kunden beträgt, wird parallel dazu die Lichtbogenlänge der Elektrode angepasst. Umgekehrt, beim Unterschreiten des Soll- Werts für die Schlackenhöhe wird die Kohlenstoff-Zufuhr er¬ höht und gleichzeitig wird die Lichtbogenlänge ebenfalls an- gepasst. Analog wird zweckdienlicherweise die Sauerstoff- Zufuhr in den Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen bei Abweichungen der Schlackenhöhe vom Soll-Wert entsprechend gesteu¬ ert bzw. geregelt. Bevorzugt werden die Schwingungen des Wechselstrom-Elektro- lichtbogenofens mit Hilfe mindestens eines Körperschallsen¬ sors, insbesondere eines Beschleunigungssensors, gemessen. Der Körperschall des Lichtbogens wird durch die Schmelze und/oder durch die Schaumschlacke an das Ofengefäß geleitet und kann dort in Form von Schwingungen gemessen werden. Die Körperschallsensoren sind dabei insbesondere mittelbar und/oder unmittelbar mit dem Ofengefäß bzw. mit der Wand des Ofengefäßes verbunden. Die Körperschallsensoren sind beispielsweise in gleichmäßigen Abständen um das Ofengefäß herum angeordnet. Um die Genauigkeit der Körperschallmessungen zu steigern, ist insbesondere je Elektrode ein Körperschallsensor vorgesehen.
Zweckmäßigerweise weist der Wechselstrom-Elektrolichtbogen- ofen drei Elektroden und für je Elektrode ist ein Körperschallsensor vorgesehen. Jeder Elektrode ist dabei eine Zone des Ofengefäßes zugeordnet und die Höhe der Schlacke wird für jede Zone ermittelt. Die Steuerung bzw. Regelung jeder der drei Elektroden erfolgt dabei insbesondere unabhängig von der der anderen zwei Elektroden. Die Schaumschlackenhöhe wird in allen drei Zonen des Ofengefäßes separat gemessen und die Lichtbogenlänge jeder der drei Elektroden wird aufgrund der Messdaten der entsprechenden Zone einzeln an die räumliche Schlackenhöhenverteilung im Ofengefäß angepasst.
Bevorzugt wird mindestens ein Fuzzy-Regler zur Regelung der Elektrode eingesetzt. Fuzzy-Regler sind Systeme, die zur Klasse der Kennfeld-Regler gehören, die der Theorie der Fuz- zy-Logik entsprechen. In jedem Regelungsschritt werden drei Teilschritte durchgeführt: Eine Fuzzyfizierung, eine Inferenz und schließlich eine Defuzzyfizierung . Die einzelnen Ein- und Ausgänge werden als linguistische Variablen bezeichnet, zu denen jeweils Fuzzy-Mengen gehören. Ein solcher Fuzzy-Regler kann dabei beispielsweise auf ein in der Recheneinheit hin- terlegtes Reaktionsmodell zurückgreifen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
FIG 1 schematisch einen Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen, und
FIG 2 den zeitlichen Verlauf der Schlackenhöhe in einem
Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen .
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
FIG 1 zeigt einen Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen 1 mit einem Ofengefäß 2, in welches mehrere Elektroden 3a, 3b, 3c, die über Stromzuführungen mit einer Stromversorgungseinrich- tung 12 gekoppelt sind, geführt sind. Die Stromversorgungs¬ einrichtung 12 weist vorzugsweise einen Ofentransformator auf. Mit Hilfe der drei Elektroden 3a, 3b, 3c werden im Wech- selstrom-Elektrolichtbogenofen 1 Beschickungsmaterialien wie beispielsweise Schrott, aufgeschmolzen. Bei der Erzeugung von Stahl im Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen 1 wird eine hier nicht näher gezeigte Schlacke bzw. Schaumschlacke gebildet.
An einer Wand 2a des Ofengefäßes 2, d.h. an der äußeren Begrenzung des Ofengefäßes 2, sind Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c zur Messung von Schwingungen angeordnet. Die Körperschall¬ sensoren 4a, 4b, 4c können mittelbar und/oder unmittelbar mit dem Ofengefäß 2 verbunden sein. Die Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c sind insbesondere an den Elektroden 3a, 3b, 3c gegenü¬ berliegenden Seiten der Wand 2a angeordnet. Die Körperschall- sensoren 4a, 4b, 4c sind hierbei vorzugsweise als Beschleuni¬ gungssensoren ausgebildet und oberhalb der Schaumschlacke im Ofengefäß 2 positioniert. Jedem Körperschallsensor 4a, 4b, 4c ist eine Elektrode 3a, 3b, 3c zugeordnet, somit können räum¬ lich aufgelöste Informationen über die Schlackenhöhe in drei Zonen des Ofengefäßes 2, die um jede der Elektroden 3a, 3b, 3c gebildet sind, gewonnen werden. Die Messwerte bzw. Signale der Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c werden über geschützte Leitungen 5a, 5b, 5c in eine opti¬ sche Einrichtung 6 geführt und von dieser über einen Lichtwellenleiter 7 in Richtung einer Recheneinheit 8 geleitet. Die Signalleitungen 5a, 5b, 5c sind vorzugsweise vor Hitze, elektromagnetischen Feldern, mechanische Belastung und/oder anderen Belastungen geschützt geführt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 sind an den Stromzuführungen der Elektroden 3a, 3b, 3c Sensor- und Regeleinrichtungen 13a, 13b, 13c vorgesehen, mit deren Hilfe Strom und/oder Spannung bzw. die den Elektroden 3a, 3b, 3c zugeführte Energie gemessen und geregelt werden können. Die Sensor- und Regeleinrichtungen 13a, 13b, 13c sind mit einer Regeleinheit 8 beispielsweise über als Kabel ausgebildete
Signalleitungen 14a, 14b, 14c gekoppelt. Weitere Signallei¬ tungen 14d, 14e, 14f dienen der Verbindung der Sensor- und Regeleinrichtungen 13a, 13b, 13c mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung 9, welche von der Recheneinheit 8 die Regel- vorgaben erhält. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 wird weiterhin einfach als Regeleinrichtung 9 bezeichnet. Alternativ zum Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 kann die Regelein¬ heit 8 integraler Bestandteil der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 sein.
Die Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c, die Sensor- und Regeleinrichtungen 13a, 13b, 13c, die Recheneinheit 8 sowie die Regeleinrichtung 9 sind Teil einer Vorrichtung 10, die in FIG 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
Dem Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen 1 sind weiterhin Kohlenstoff-Einblasvorrichtungen 15a, 15b, 15c sowie Sauerstoff- Einblasvorrichtungen 16a, 16b, 16c zugeordnet. In der Recheneinheit 8 werden die Messwerte bzw. Signale der Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c und der Sensor- und Regeleinrichtungen 13a, 13b, 13c erfasst und ausgewertet, um die Höhe der Schaumschlacke im Ofengefäß 2 zu ermitteln. Die von den Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c ermittelten Messwerte bzw. Signale sind mit der Höhe der Schlacke korreliert, wobei eine zeitliche Auflösung im Bereich von ca. einer bis zwei Sekunden möglich ist. Die Recheneinheit 8 gibt mindestens ein Re- gelsignal bzw. eine Regelvorgabe, basierend auf der aktuell berechneten Höhe der Schaumschlacke pro Zone im Ofengefäß 2 oder über die Zonen gemittelt an die Regeleinrichtung 9 weiter .
Die Regeleinrichtung 9 regelt nach Vorgabe der Rechenein- heit 8 sowohl die Zufuhr von Kohlenstoff und Sauerstoff als auch die Lichtbogenlängen der Elektroden 3a, 3b, 3c über die Impedanz der Elektroden 3a, 3b, 3c. Entscheidend für diese Regelung ist eine zeitliche Differenzierung zwischen den verschiedenen Entwicklungsperioden der Schaumschlacke, so dass der Lichtbogen in Abhängigkeit von den verschiedenen Stadien der Schlackenbildung unterschiedlich geregelt wird. Die Regeleinrichtung 9 umfasst bevorzugt einen Fuzzy-Regler 11.
Die Vorgehensweise bei der Regelung des Lichtbogens der
Elektroden 3a, 3b und 3c wird anhand des Diagramms in FIG 2 erklärt, in dem die relative Schlackenhöhe Hrei über die
Zeit t aufgetragen ist. Die X-Achse stellt die Zeit in Sekun¬ den zu Beginn des Einschmelzvorgangs im Wechselstrom-Elektro- lichtbogenofen 1 dar. Das Messsignal der drei Körperschall- sensoren 4a, 4b, 4c, d.h. der ermittelte Verlauf der Schla¬ ckenhöhe für die drei Zonen im Ofengefäß 2 ist durch drei os¬ zillierende Linien A, B, C angegeben. Bei der Entwicklung der Schlacke sind dabei im Wesentlichen drei unterschiedliche Stadien zu erkennen. Eine Anfangs- oder Schlackenaufbauperio- de I, in der die Schlackenhöhe ansteigt, dauert gemäß FIG 2 bis ca. 2450 Sekunden nach Beginn des Einschmelzvorganges. Gefolgt wird sie von einer Schlackenperiode, in der die
Schlackenhöhe über die Zeit gemittelt im Wesentlichen kon¬ stant bleibt. Ab ca. 3150 Sekunden nach Beginn des Schmelz- Vorganges im Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen 1 beginnt eine Endperiode der Schlackenbildung, in der die Fluktuationen der Schlackenhöhe Hrei . besonders stark sind und die gemittel- te relative Schlackenhöhe etwas niedriger ist als in der Schlackenperiode .
Mit dem Bezugszeichen S wird in Fig. 2 ein Soll-Wert für die relative Schlackenhöhe Hrei gekennzeichnet. Der Soll-Wert S ist in den drei Entwicklungsperioden der Schlacke unterschiedlich. Der Soll-Wert S kann alternativ einen Soll- Bereich zwischen einem zulässigen minimalwert und einem zulässigen Maximalwert darstellen.
In der Anfangsperiode I kann ein starkes Aufschäumen auftre¬ ten, jedoch kann in einzelnen Zonen, die nicht genügend aufgeheizt sind, das Aufschäumen stark verzögert sein. Bezüglich der Anfangsperiode I sind somit vier Fälle zu unterscheiden:
1) In einer Zone, wie z.B. die des Messwerts C, ist der
Schlackenstand stark überhöht, während in den anderen beiden Zonen der Schlackenstand normal ist. In diesem Fall wird der Lichtbogen an der Elektrode 3c verlängert.
2) Wenn in allen drei Zonen ein überhöhter Schlackenzustand gemessen wird, wird der Lichtbogen aller drei Elektroden 3a, 3b, 3c verlängert, was zu erhöhter Strahlungs¬ leistung führt.
3) Wenn die Schlackenhöhe zu niedrig, erfolgt die Regelung der Lichtbogenlänge in Abhängigkeit davon, ob sich die größere Schrott-Brocken in der Nähe der Elektroden oder der Wand des Wechselstrom-Elektrolichtbogenofens befin¬ den. Wenn Sie unterhalb der Elektrode sind, wird der Lichtbogen verkürzt, wenn sie näher an der Wand sind, wird der Lichtbogen verlängert.
4) Wenn die Schlackenhöhe in allen Zonen A, B, C zu niedrig ist, bedeutet dies, dass die Schmelze länger zur Aufhei¬ zung braucht, es wird somit keine Veränderung bezüglich der Lichtbogenlänge vorgenommen.
In der Schlackenperiode II sowie in der Endperiode III sind die gleichen vier Fälle zu unterscheiden, die jedoch teilweise eine unterschiedliche Vorgehensweise erfordern: 1) Wenn in mindestens einer Zone der Schlackenzustand deut¬ lich höher ist als in den anderen Zonen, wird wie im Fall 1 in Bezug auf die Anfangsperiode I behandelt.
2) Wenn alle drei Zonen einen überhöhten Schlackenstand auf- weisen, wird wie im Fall 2 in Bezug auf die Anfangsperio¬ de I behandelt.
3) Falls in mindestens einer Zone die Soll-Wertvorgabe S un¬ terschritten wird, dann wird die Lichtbogenlängen der entsprechenden Elektrode 3a, 3b, 3c, die dieser Zone zu- geordnet ist, verringert. Dadurch wird die Strahlungs¬ leistung entsprechend nach unten korrigiert, um die Wand 2a im Betrieb zu schonen.
4) Und schließlich, wenn alle Ist-Messwerte A, B, C, für die Schlackenhöhe Hrei in allen Zonen des Wechselstrom- Elektrolichtbogenofens 1 unter den Soll-Wert S fallen, werden die Lichtbogenlängen an allen drei Elektroden 3a, 3b, 3c reduziert und damit die Strahlungsleistung bis zum zwischenzeitlichen Reagieren der Schlacke auf den eingebrachten Kohlenstoff reduziert.
Das fuzzybasierte Regelungssystem gibt die Korrekturfaktoren für die einzelnen Lichtbogenlängen aus, die in einer Elektrodenregelung verarbeitet und eingestellt werden. Der wesentli¬ che Vorteil der Regelung der Lichtbogenlänge ist die kurze Reaktionszeit von ca. einer Sekunde. Somit kann besonders schnell auf die im Ofengefäß 2 herrschenden Bedingungen rea¬ giert werden. Die Anpassung der Lichtbogenlänge wird insbe¬ sondere in Kombination mit einer Regelung der Kohlenstoffbzw. Sauerstoff-Zufuhr betrieben und dient zu einer Optimie- rung der Leistungseinbringung und somit zu geringeren Strahlungsverlusten an die Wand des Wechselstrom- Elektrolichtbogenofens .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Wechselstrom-Elektrolicht- bogenofens (1), umfassend zumindest eine Elektrode (3a, 3b, 3c) zum Erzeugen einer Schmelze in einem Ofengefäß (2), wobei Schwingungen an einer Wand (2a) des Ofengefäßes (2) gemessen werden, durch welche eine Schlackenhöhe ( Hrei ) der Schmelze ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichungen eines ermittelten Ist-Werts (A, B, C) der Schlackenhöhe (Hrei ) von einem Soll-Wert (S) Steuer- und/oder Regelsignale (14d, 14e, 14f) gegeben werden, durch welche eine Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) angepasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei der Einschmelzvorgang in mindestens zwei, insbesondere in drei Perioden (I, II, III) der Entwicklung der Schlacke unterteilt ist und die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) in Abhängigkeit der Entwicklungsperio¬ de (I, II, III) reguliert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anfangsperiode (I) der Schlackenentwicklung beim Unterschreiten des Soll-Werts (S) die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) verringert wird, wenn unter der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) sich Feststoff mit einem großen Stückigkeitsmaß befindet .
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anfangsperiode (I) der Schlackenentwicklung beim Unterschreiten des Soll-Werts (S) die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) erhöht wird, wenn sich Feststoff mit einem großen Stü¬ ckigkeitsmaß in der Nähe der Wand (2a) befindet.
5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anfangsperiode (I) der Schlackenentwicklung beim Unterschreiten des Soll-Werts (S) die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) unverändert gehalten wird und die Betriebszeit der zumin¬ dest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) verlängert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schlackenperiode (II) und in einer Endperiode (III) der Schlackenentwicklung beim Unterschreiten des Soll-Werts (S) die Lichtbogenlänge der zu¬ mindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) verringert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten des Soll- Werts (S) die Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichungen der Schlackenhöhe ( Hrei ) vom Soll-Wert (S) eine Kohlenstoff-Zufuhr in den Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen (1) reguliert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichungen der Schlackenhöhe vom Soll-Wert (S) eine Sauerstoffzufuhr in den Wechsel- strom-Elektrolichtbogenofen (1) reguliert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Wechsel- strom-Elektrolichtbogenofens (1) mit Hilfe mindestens eines Körperschallsensors (4a, 4b, 4c), insbesondere eines Be- schleunigungssensors , gemessen werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom- Elektrolichtbogenofen (1) drei Elektroden (3a, 3b, 3c) auf- weist und die Höhe (Hrei ) der Schaumschlacke in einer der je¬ weiligen Elektrode (3a, 3b, 3c) zugeordneten Zone des Ofenge¬ fäßes (2) bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fuzzy-Regler (11) zur Rege¬ lung der Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) eingesetzt wird.
13. Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend
- mindestens einen Körperschallsensor (4a, 4b, 4c) zum Erfas- sen von Schwingungen an einer Wand (2a) eines Ofengefäßes
(2) eines Wechselstrom-Elektrolichtbogenofens (1), wobei der Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen (1) zumindest eine Elektrode (3a, 3b, 3c) zum Erzeugen einer Schmelze im Ofen¬ gefäß (2) aufweist,
- eine Recheneinheit (8) zum Berechnen des Ist-Werts (A, B, C) einer Schlackenhöhe (Hrei ) im Ofengefäß (2),
- sowie eine Steuer- oder Regeleinheit (9) zur Anpassung der Lichtbogenlänge der zumindest einen Elektrode (3a, 3b, 3c) bei Abweichungen des Ist-Werts (A, B, C) der Schlackenhöhe ( Hrei ) vom Soll-Wert (S) .
14. Vorrichtung (10) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor (4a, 4b, 4c) ein Beschleunigungssensor ist.
15. Vorrichtung (10) nach Anspruch 13 oder 14,
gekennzeichnet durch einen Fuzzy-Regler (11) .
16. Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen (1) mit einer Vor- richtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15.
17. Wechselstrom-Elektrolichtbogenofen (1) nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch drei Elektroden (3a, 3b, 3c), wobei für jede Elektrode (3a, 3b, 3c) ein jeweiliger Körperschallsensor (4a, 4b, 4c) vorgesehen ist.
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